CN110842203A - 一种多尺度梯级增材制造装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多尺度梯级增材制造装置，属于机械材料加工领域。包括加工平台、设置在加工平台上的三维运动机构以及设置在三维运动机构上的打印组，三维运动机构包括X轴运动组、Y轴运动组和Z轴运动组，打印组设置在X轴运动组上；本发明大幅度的提升了产品性能，能快速获得显微组织均匀，整体结构稳定的产品，有效提升包括强度、塑形和服役寿命，缩短了生产周期、降低了能耗以及劳动力投入，提升了材料利用率。
Description
技术领域
本发明涉及机械材料加工领域，具体涉及一种多尺度梯级增材制造装置。
背景技术
大型复杂高强度结构件的制造方法，主要以结构拼焊为主。以轨道客车转向架的生产为例，传统的制造方法采用焊接工艺成型，主要包含：钢材下料--变形--焊接--去应力--装配--表面处理--油漆--附件安装等一系列共计16道复杂工序才能完成。焊接是最为主要的加工方法，其中仅各类焊缝数量多达500条以上，而焊缝总长度可达到2000m以上，制造完成一套转向架构架所需要的周期长，劳动力需求大，能耗高，材料利用率低，同时存在以下缺点：
1.现有焊接结构的大型复杂结构件的生产工序繁多，生产效率低，周期长，需要投入大量的人力、物力、财力；
2.生产过程大量的采用焊接结构，产品性能没有太多提升空间，焊接带来的晶粒粗化、残余应力及焊接变形等缺陷，降低产品服役寿命；
3.生产工艺老旧，能耗大，不能实现一次性成型，不易实现智能化制造；
4.生产过程占地面积大，工装繁多。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提出了一种多尺度梯级增材制造装置，具体技术方案如下：
一种多尺度梯级增材制造装置，包括加工平台、设置在加工平台上的三维运动机构以及设置在三维运动机构上的打印组，三维运动机构包括X轴运动组、Y轴运动组和Z轴运动组，打印组设置在X轴运动组上；
打印组包括设置在X轴运动组上且可沿X轴运动组滑动的连接杆、设置在连接杆底端的安装盘、设置在安装盘底端中心处并位于加工平台上方的主喷头以及设置在安装盘边侧的多组伺服电机，伺服电机的输出端朝向加工平台并设有转动盘，转动盘底端设有与转动盘偏心设置的副喷头，安装盘底端并位于主喷头和副喷头的旁侧均设有冷却喷头。
本发明中工作人员将待加工工件固定在加工平台上，通过由X轴运动组、Y轴运动组和Z轴运动组组成的三维运动机构，将打印组移动到待加工工件的待加工位置，然后通过主喷头和副喷头对进行高温喷涂作业，同时设置在主喷头和副喷头旁侧的冷却喷头则配合主喷头和副喷头的高温作业，对待打印体进行热处理。
作为优选，Z轴运动组包括设置在加工平台两侧的Z向滑动座以及设置在加工平台上并与Z向滑动座连接的Z向驱动气缸；
Y轴运动组包括设置在Z向滑动座上的Y向滑轨、设置在Y向滑轨上并与Y向滑轨滑动连接的Y向滑块以及设置在Y向滑轨上并与Y向滑块连接的Y向驱动气缸；
X轴运动组包括设置在两组Y向滑块之间的X向滑轨，设置在X向滑轨上并与X向滑轨滑动连接的X向滑块以及设置在Y向滑块上并与X向滑块连接的X向驱动电机，X向驱动电机与X向滑块之间设有与X向滑块螺纹连接的螺纹轴，连接杆设置在X向滑块底端。
本发明中的Z向驱动气缸驱动Z向滑动座沿着加工平台的Z轴方向滑动，Y向驱动气缸则驱动Y向滑块沿着Y向滑轨滑动，而X向驱动电机则将螺纹轴的旋转运动转换为X向滑块的直线往复运动，由此使主喷头和副喷头能够分别在X向、Y向以及Z向自由移动。
作为优选，加工平台上设有固定台，固定台内设有呈来回弯折且水平分布状的冷却管，固定台上设有温度传感器。
本发明通过设置在固定台内且呈来回弯折分布状的冷却管，对固定台上的打印体进行冷却，以进一步实现对打印体的实时热处理工艺，并通过设置在固定台上的温度传感器将打印体的实时温度传输到控制台，便于工作人员掌握并精确控制加工温度。
作为优选，主喷头和副喷头上亦设有温度传感器。
本发明中设置在主喷头和副喷头上的温度传感器将主喷头和副喷头处的工作温度传输到控制台，配合设置在固定台上的温度传感器便于工作人员掌握并精确控制加工温度。
作为优选，主喷头的水平安装高度大于副喷头的水平安装高度。
本发明中将主喷头的水平安装高度高于副喷头的水平安装高度设置，使主喷头和副喷头呈高度阶梯状分布，便于打印组实现多级复合打印功能。
作为优选，安装盘内设有多根分别与主喷头和副喷头连通的物料输送管，物料输送管穿过连接杆并与物料存储装置连通。
本发明通过与主喷头和副喷头连通的物料输送管，将主喷头和副喷头打印所需要的物料输送到主喷头和副喷头。
作为优选，安装盘内设有多根分别与冷却喷头连通的冷却输送管，冷却输送管穿过连接杆并与冷却装置连通。
本发明通过与与冷却喷头连通的冷却输送管，将冷却喷头所需要的冷却液或冷却气体输送到冷却喷头。
作为优选，冷却喷头的外侧套设有保护托板。
本发明中设置在冷却喷头外侧的保护托板防止主喷头和副喷头工作时的飞溅金属对冷却喷头造成堵塞。
作为优选，副喷头以主喷头为中心呈对称均匀分布。
本发明具有以下有益效果：
本发明通过由X轴运动组、Y轴运动组和Z轴运动组组成的三维运动机构，将打印组移动到待加工工件的待加工位置，然后通过主喷头和副喷头对进行高温喷涂作业，同时设置在主喷头和副喷头旁侧的冷却喷头则配合主喷头和副喷头的高温作业，对待打印体进行热处理，将精密锻造技术与增材制造技术很好的结合，发挥两种先进制造技术的优势，能够有效的提升产品生产过程的智能化程度，实现智能制造，并解决微区强度可控化分布及耐腐蚀性要求，即实现结构梯度打印和功能梯度打印，减少机加工量，提高效率，节约成本。同时本发明可以大幅度的提升产品性能，能快速获得显微组织均匀，整体结构稳定的产品，有效提升包括强度、塑形和服役寿命，缩短了生产周期、降低了能耗以及劳动力投入，提升了材料利用率。
附图说明
图1为本发明的结构示意图，
图2为本发明中打印组的结构示意图；
图3为本发明中固定台的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
实施例
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不倡要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连通'、”相连”、“连接“应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面结合附图，对本发明的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
参见图1到图3，本发明包括用于安装固定待打印体的加工平台1、设置在设置在加工平台1上的三维运动机构2以及设置在设置在三维运动机构2上并用于加工的打印组3，三维运动机构2用于将打印组3在X、Y、Z方向自由移动，提高打印组3的加工范围。加工平台1上设有用于固定待打印体的固定台11，固定台11内设有用于对固定台11上的打印体进行冷却的冷却管6，冷却管6呈来回弯折且水平分布，冷却管6内的冷却介质包括液态水、各类压缩空气、液态CO2等。本发明通过设置在固定台11内且呈来回弯折分布状的冷却管6，对固定台11上的打印体进行冷却，以进一步实现对打印体的实时热处理工艺。
进一步参见图1，三维运动机构2包括X轴运动组21、Y轴运动组22和Z轴运动组23，Z轴运动组23包括设置在加工平台1两侧的Z向滑动座231以及设置在加工平台1上并与Z向滑动座231连接的Z向驱动气缸232；Y轴运动组22包括设置在Z向滑动座231上的Y向滑轨221、设置在Y向滑轨221上并与Y向滑轨221滑动连接的Y向滑块222以及设置在Y向滑轨221上并与Y向滑块222连接的Y向驱动气缸223；X轴运动组21包括设置在两组Y向滑块222之间的X向滑轨211，设置在X向滑轨211上并与X向滑轨211滑动连接的X向滑块212以及设置在Y向滑块222上并与X向滑块212连接的X向驱动电机213，X向驱动电机213与X向滑块212之间设有与X向滑块212螺纹连接的螺纹轴5，
进一步参见图1，Z向驱动气缸232、Y向驱动气缸223采用的机型均是伺服气缸，X向驱动电机213采用的机型为伺服电机34，便于工作人员精确控制，提高了打印组3的打印精度。打印组3设置在X轴运动组21上，本发明中的Z向驱动气缸232驱动Z向滑动座231沿着加工平台1的Z轴方向滑动，Y向驱动气缸223则驱动Y向滑块222沿着Y向滑轨221滑动，而X向驱动电机213则将螺纹轴5的旋转运动转换为X向滑块212的直线往复运动，由此使主喷头33和副喷头36能够分别在X向、Y向以及Z向自由移动，大幅度的提高了本发明中打印头的打印范围。
进一步参见图1和图2，打印组3包括设置在X轴运动组21上且可沿X轴运动组21滑动的连接杆31、设置在连接杆31底端的安装盘32、设置在安装盘32底端中心处并位于加工平台1上方的主喷头33以及设置在安装盘32边侧的两组伺服电机34，伺服电机34的输出端朝向加工平台1并设有转动盘35，转动盘35底端设有与转动盘35偏心设置的副喷头36，副喷头36能够实现部分转动，进一步增加了打印范围。主喷头33的水平安装高度大于副喷头36的水平安装高度并且副喷头36以主喷头33为中心呈对称均匀分布。本发明将主喷头33的水平安装高度高于副喷头36的水平安装高度设置，使主喷头33和副喷头36呈高度阶梯状分布，便于打印组3实现多级复合打印功能。并且安装盘32内设有多根分别与主喷头33和副喷头36连通的物料输送管8，物料输送管8穿过连接杆31并与物料存储装置连通，本发明通过与主喷头33和副喷头36连通的物料输送管8，将主喷头33和副喷头36打印所需要的物料输送到主喷头33和副喷头36。
本发明通过主喷头33以及设置在主喷头33两侧的副喷头36实现三级复合打印；一级：电弧氩弧.二氧化碳弧沉积沉积量：0.5-20kg/h；表面粗糙度范围：0.5-2.5mm；二级：等离子弧冷/热沉积沉积量：0.1-2kg/h；表面粗糙度范围：0.02-0.5mm；三级：激光/电子束沉积沉积量：0.001-0.1kg/h；表面粗糙度范围：0.001-0.02mm；并且主喷头33和副喷头36因为具有不同的沉积特点，在一定范围内实现同种材料不同性能的打印，例如实现大型结构件要求的内韧外强特性。同时主喷头33和副喷头36可以独立通过打印头的输出材料的变化，沉积具有不同功能的材料，实现功能梯度打印，例如在构件近表面沉积防腐层金属，因此本发明通过三级不同沉积速率和效率的良好配合的多尺度梯级增材制造，可实现包括结构梯度打印和功能梯度打印。
进一步参见图2，安装盘32底端并位于主喷头33和副喷头36的旁侧均设有冷却喷头4，中工作人员将待加工工件固定在加工平台1上，通过由X轴运动组21、Y轴运动组22和Z轴运动组23组成的三维运动机构2，将打印组3移动到待加工工件的待加工位置，然后通过主喷头33和副喷头36对进行高温喷涂作业，同时设置在主喷头33和副喷头36旁侧的冷却喷头4则配合主喷头33和副喷头36的高温作业，对待打印体进行热处理。安装盘32内设有多根分别与冷却喷头4连通的冷却输送管9，冷却输送管9穿过连接杆31并与冷却装置连通，冷却输送管9内的冷却介质包括压缩空气、氩气、氮气、二氧化碳等，本发明通过与冷却喷头4连通的冷却输送管9，将冷却喷头4所需要的冷却液或冷却气体输送到冷却喷头4。冷却喷头4的外侧套设有保护托板10，设置在冷却喷头4外侧的保护托板10防止主喷头33和副喷头36工作时的飞溅金属对冷却喷头4造成堵塞。通过冷却喷头4将压缩空气，液态水等冷却介质通向凝固焊缝实现焊缝组织的快速淬火，缩短结晶时间周期，使晶粒组织细化，实现了打印体构件优良的内部组织。
进一步参见图1和图3，固定台11上设有用于测量零件加工温度的温度传感器7，通过设置在固定台11上的温度传感器7将打印体的实时温度传输到控制台，便于工作人员掌握并精确控制加工温度。主喷头33和副喷头36上亦设有温度传感器7。本发明中设置在主喷头33和副喷头36上的温度传感器7将主喷头33和副喷头36处的工作温度传输到控制台，配合设置在固定台11上的温度传感器7便于工作人员掌握并精确控制加工温度。
本发明通中冷却喷头4和设置在固定台11内的冷却管6配合，根据产品内部组织的需求，通过与温度传感器7连接的温度控制设备功能调节实现沉积过程的组织调控。以某大型复杂结构件用耐候钢为例，在层状特征打印过程中，对前一层沉积层快速冷却，形成较为完整的马氏体组织，再通过后一层的沉积，沉积热量通过固态组织内部的热扩散，实现对前一层的回火处理，后续堆层以此类推，实现整体均匀的淬火+回火的高性能组织。同时本发明中的多级打印复合中的高能束沉积方法，除了的打印精度的全覆盖特征，实现高精度增材制造技术外，可实现在完成整体打印目标同时实现构件表面的处理，如表面淬火，表面应力状态的改变。
本发明通过由X轴运动组21、Y轴运动组22和Z轴运动组23组成的三维运动机构2，将打印组3移动到待加工工件的待加工位置，然后通过主喷头33和副喷头36对进行高温喷涂作业，同时设置在主喷头33和副喷头36旁侧的冷却喷头4则配合主喷头33和副喷头36的高温作业，对待打印体进行热处理，将精密锻造技术与增材制造技术很好的结合，发挥两种先进制造技术的优势，能够有效的提升产品生产过程的智能化程度，实现智能制造，并解决微区强度可控化分布及耐腐蚀性要求，即实现结构梯度打印和功能梯度打印，减少机加工量，提高效率，节约成本。同时本发明可以大幅度的提升产品性能，能快速获得显微组织均匀，整体结构稳定的产品，有效提升包括强度、塑形和服役寿命，缩短了生产周期、降低了能耗以及劳动力投入，提升了材料利用率。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种多尺度梯级增材制造装置，其特征在于，包括加工平台(1)、设置在加工平台(1)上的三维运动机构(2)以及设置在三维运动机构(2)上的打印组(3)，所述三维运动机构(2)包括X轴运动组(21)、Y轴运动组(22)和Z轴运动组(23)，所述打印组(3)设置在X轴运动组(21)上；
所述打印组(3)包括设置在X轴运动组(21)上且可沿X轴运动组(21)滑动的连接杆(31)、设置在连接杆(31)底端的安装盘(32)、设置在安装盘(32)底端中心处并位于加工平台(1)上方的主喷头(33)以及设置在安装盘(32)边侧的多组伺服电机(34)，所述伺服电机(34)的输出端朝向加工平台(1)并设有转动盘(35)，所述转动盘(35)底端设有与转动盘(35)偏心设置的副喷头(36)，所述安装盘(32)底端并位于主喷头(33)和副喷头(36)的旁侧均设有冷却喷头(4)。
2.根据权利要求1所述的多尺度梯级增材制造装置，其特征在于，所述Z轴运动组(23)包括设置在加工平台(1)两侧的Z向滑动座(231)以及设置在加工平台(1)上并与Z向滑动座(231)连接的Z向驱动气缸(232)；
所述Y轴运动组(22)包括设置在Z向滑动座(231)上的Y向滑轨(221)、设置在Y向滑轨(221)上并与Y向滑轨(221)滑动连接的Y向滑块(222)以及设置在Y向滑轨(221)上并与Y向滑块(222)连接的Y向驱动气缸(223)；
所述X轴运动组(21)包括设置在两组Y向滑块(222)之间的X向滑轨(211)，设置在X向滑轨(211)上并与X向滑轨(211)滑动连接的X向滑块(212)以及设置在Y向滑块(222)上并与X向滑块(212)连接的X向驱动电机(213)，所述X向驱动电机(213)与X向滑块(212)之间设有与X向滑块(212)螺纹连接的螺纹轴(5)，所述连接杆(31)设置在X向滑块(212)底端。
3.根据权利要求1所述的多尺度梯级增材制造装置，其特征在于，所述加工平台(1)上设有固定台(11)，所述固定台(11)内设有呈来回弯折且水平分布状的冷却管(6)，所述固定台(11)上设有温度传感器(7)。
4.根据权利要求3所述的多尺度梯级增材制造装置，其特征在于，所述主喷头(33)和副喷头(36)上亦设有所述温度传感器(7)。
5.根据权利要求1所述的多尺度梯级增材制造装置，其特征在于，所述主喷头(33)的水平安装高度大于副喷头(36)的水平安装高度。
6.根据权利要求1所述的多尺度梯级增材制造装置，其特征在于，所述安装盘(32)内设有多根分别与主喷头(33)和副喷头(36)连通的物料输送管(8)，所述物料输送管(8)穿过连接杆(31)并与物料存储装置连通。
7.根据权利要求1所述的多尺度梯级增材制造装置，其特征在于，所述安装盘(32)内设有多根分别与冷却喷头(4)连通的冷却输送管(9)，所述冷却输送管(9)穿过连接杆(31)并与冷却装置连通。
8.根据权利要求1所述的多尺度梯级增材制造装置，其特征在于，所述冷却喷头(4)的外侧套设有保护托板(10)。
9.根据权利要求1所述的多尺度梯级增材制造装置，其特征在于，所述副喷头(36)以主喷头(33)为中心呈对称均匀分布。
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